JP6690308B2 - 半導体装置を製造する方法 - Google Patents
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図1は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法において、半導体チップに基板を仮圧着する工程の一例を示す工程図である。
本実施形態に係る半導体装置の製造方法によって得られる半導体装置について説明する。本実施形態に係る半導体装置における接続部は、バンプと配線との金属接合、及び、バンプとバンプとの金属接合のいずれでもよい。本実施形態に係る半導体装置では、例えば、接着剤層を介して電気的な接続を得るフリップチップ接続を用いることができる。
弾性体層の原料としては、250℃において特定の貯蔵弾性率と変位量を示す樹脂であれば特に限定されない。樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリイミド樹脂、フェノキシ樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、シアネートエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ウレタン樹脂、アクリルゴム等が挙げられる。樹脂としては、中でも、耐熱性及びフィルム形成性に優れるという観点から、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、アクリル樹脂、アクリルゴム、シアネートエステル樹脂、ポリカルボジイミド樹脂が好ましく、耐熱性及びフィルム形成性に特に優れるという観点から、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリイミド樹脂、フェノキシ樹脂、アクリル樹脂、アクリルゴムがより好ましい。これらの樹脂は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
接着剤層は、10000以下の分子量を有する熱硬化性樹脂、及びその硬化剤を含有する熱硬化性樹脂組成物によって形成された層であることが好ましい。
熱硬化性樹脂は、加熱により架橋構造を形成し得る化合物である。熱硬化性樹脂は10000以下の分子量を有することが好ましい。分子量が小さい成分は加熱時に分解等してボイドの原因となるため、耐熱性の観点から、熱硬化性樹脂としては硬化剤と反応して架橋構造を形成する化合物が好ましい。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等が挙げられる。
エポキシ樹脂は、分子内に2個以上のエポキシ基を有する化合物であれば特に制限されない。エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールA型、ビスフェノールF型、ナフタレン型、フェノールノボラック型、クレゾールノボラック型、フェノールアラルキル型、ビフェニル型、トリフェニルメタン型及びジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、並びに各種多官能エポキシ樹脂が挙げられる。エポキシ樹脂としては、中でも、速硬化性及び耐熱性の観点から、ビスフェノールF型、フェノールノボラック型、クレゾールノボラック型、ビフェニル型、トリフェニルメタン型がより好ましい。エポキシ樹脂は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
アクリル樹脂は、分子内に1個以上の(メタ)アクリロイル基を有する化合物であれば特に制限されない。アクリル樹脂としては、例えば、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ナフタレン、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、フェノールアラルキル、ビフェニル、トリフェニルメタン、ジシクロペンタジエン、フルオレン、アダマンタン及びイソシアヌル酸から選ばれる化合物に由来する骨格を有する(メタ)アクリレート、並びに各種多官能(メタ)アクリル化合物が挙げられる。その中でも、耐熱性の観点から、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ナフタレン、フルオレン、アダマンタン及びイソシアヌル酸から選ばれる化合物に由来する骨格を有する(メタ)アクリレートが好ましい。アクリル樹脂は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
硬化剤は、熱硬化性樹脂と反応して、熱硬化性樹脂とともに架橋構造を形成する化合物であれば特に制限されない。硬化剤としては、例えば、フェノール樹脂系硬化剤、酸無水物系硬化剤、アミン系硬化剤、イミダゾール系硬化剤、ホスフィン系硬化剤、アゾ化合物及び有機過酸化物が挙げられる。硬化系としてはラジカル重合系が好ましい。硬化剤は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
フェノール樹脂系硬化剤は、分子内に2個以上のフェノール性水酸基を有するものであれば特に制限されない。フェノール樹脂系硬化剤としては、例えば、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、フェノールアラルキル樹脂、クレゾールナフトールホルムアルデヒド重縮合物、トリフェニルメタン型多官能フェノール及び各種多官能フェノール樹脂が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
酸無水物系硬化剤としては、例えば、メチルシクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物及びエチレングリコールビスアンヒドロトリメリテートが挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
アミン系硬化剤としては、例えば、ジシアンジアミド、ドデカンジアミン等が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
イミダゾール系硬化剤としては、例えば、2−フェニルイミダゾール、2−フェニル−4−メチルイミダゾール、1−ベンジル−2−メチルイミダゾール、1−ベンジル−2−フェニルイミダゾール、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾール、1−シアノ−2−フェニルイミダゾール、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾールトリメリテイト、1−シアノエチル−2−フェニルイミダゾリウムトリメリテイト、2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−[2’−ウンデシルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−[2’−エチル−4’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジンイソシアヌル酸付加体、2−フェニルイミダゾールイソシアヌル酸付加体、2−フェニル−4,5−ジヒドロキシメチルイミダゾール、2−フェニル−4−メチル−5−ヒドロキシメチルイミダゾール、及び、エポキシ樹脂とイミダゾール類の付加体が挙げられる。イミダゾール系硬化剤としては、中でも、硬化性、保存安定性及び接続信頼性に優れる観点から、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾール、1−シアノ−2−フェニルイミダゾール、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾールトリメリテイト、1−シアノエチル−2−フェニルイミダゾリウムトリメリテイト、2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−[2’−エチル−4’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジンイソシアヌル酸付加体、2−フェニルイミダゾールイソシアヌル酸付加体、2−フェニル−4,5−ジヒドロキシメチルイミダゾール及び2−フェニル−4−メチル−5−ヒドロキシメチルイミダゾールが好ましい。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。また、これらをマイクロカプセル化した潜在性硬化剤として用いてもよい。
ホスフィン系硬化剤としては、例えば、トリフェニルホスフィン、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレート、テトラフェニルホスホニウムテトラ(4−メチルフェニル)ボレート及びテトラフェニルホスホニウム(4−フルオロフェニル)ボレートが挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
アゾ化合物としては、例えば、ジメチルアミノアゾベンゼン、ジメチルアミノアゾベンゼン−カルボン酸、ジエチルアミノアゾベンゼン、ジエチルアミノアゾベンゼン−カルボン酸等が挙げられる。アゾ化合物は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
有機過酸化物としては、例えば、ケトンパーオキサイド、パーオキシケタール、ハイドロパーオキサイド、ジアルキルパーオキサイド、ジアシルパーオキサイド、パーオキシジカーボネイト、パーオキシエステル等が挙げられる。有機過酸化物としては、保存安定性の観点から、ハイドロパーオキサイド、ジアルキルパーオキサイド及びパーオキシエステルが好ましい。更に、有機過酸化物としては、耐熱性の観点から、ハイドロパーオキサイド及びジアルキルパーオキサイドが好ましい。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
本実施形態に係る熱硬化性樹脂組成物は、10000以上である重量平均分子量を有する高分子成分を更に含有していてもよい。熱硬化性樹脂、硬化剤等の高分子成分以外の成分の重量平均分子量又は分子量は、通常10000未満である。高分子成分としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、シアネートエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ウレタン樹脂及びアクリルゴムが挙げられる。高分子成分としては、中でも、耐熱性及びフィルム形成性に優れるという観点から、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、アクリルゴム、シアネートエステル樹脂及びポリカルボジイミド樹脂が好ましく、耐熱性及びフィルム形成性に更に優れるという観点から、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂及びアクリルゴムがより好ましい。これらの高分子成分は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
本実施形態に係る熱硬化性樹脂組成物は、フラックス剤(すなわち、フラックス活性(酸化物及び不純物を除去する活性)を示すフラックス活性剤)を更に含有していてもよい。フラックス剤としては、例えば、イミダゾール類、アミン類等の非共有電子対を有する含窒素化合物、カルボン酸類、フェノール類及びアルコール類が挙げられる。フラックス剤としては、アルコール等に比べて有機酸(2−メチルグルタル酸等のカルボン酸類等)がフラックス活性を強く発現し、接続性が向上する。
本実施形態に係る熱硬化性樹脂組成物は、粘度及び硬化物の物性を制御するため、及び、半導体チップ同士、又は半導体チップと基板とを接続した際のボイドの発生及び吸湿率の更なる抑制のために、フィラーを更に含有していてもよい。フィラーとしては、例えば、無機フィラー及び樹脂フィラーが挙げられる。無機フィラーとしては、例えば、ガラス、シリカ、アルミナ、酸化チタン、カーボンブラック、マイカ及び窒化ホウ素等の絶縁性無機フィラーが挙げられる。無機フィラーとしては、中でも、シリカ、アルミナ、酸化チタン及び窒化ホウ素が好ましく、シリカ、アルミナ及び窒化ホウ素がより好ましい。絶縁性無機フィラーはウィスカーであってもよい。ウィスカーとしては、例えば、ホウ酸アルミニウム、チタン酸アルミニウム、酸化亜鉛、珪酸カルシウム、硫酸マグネシウム及び窒化ホウ素が挙げられる。樹脂フィラーとしては、例えば、ポリウレタン、ポリイミド、メタクリル酸メチル樹脂及びメタクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂(MBS)が挙げられる。フィラーは、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。フィラーの形状、粒径及び含有量は特に制限されない。
ニトフロン900UL(日東電工株式会社、厚み50μm、100μm)
ユーピレックスSGA(宇部興産株式会社、50μm、100μm(50μm×2))
アルミニウム箔(住軽アルミ箔株式会社、100μm(20μm×5))
(a)熱硬化性樹脂
エポキシ樹脂
トリフェノールメタン骨格含有多官能固形エポキシ樹脂(EP1032H60、ジャパンエポキシレジン株式会社、重量平均分子量:800〜2000)
ビスフェノールF型液状エポキシ樹脂(YL983U、ジャパンエポキシレジン株式会社、分子量:約336)
可撓性半固形状エポキシ樹脂(YL7175−1000、ジャパンエポキシレジン株式会社、重量平均分子量:1000〜5000)
アクリル樹脂
フルオレン骨格アクリレート樹脂(EA0200、大阪ガスケミカル株式会社、2官能基、分子量:約546)
2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジンイソシアヌル酸付加体(2MAOK−PW、四国化成株式会社製)
ジクミル過酸化物(パークミルD、日油株式会社)
フェノキシ樹脂(ZX1356−2、東都化成株式会社、Tg:約71℃、重量平均分子量:約63000)
アクリルゴム(KH−C865、日立化成製、Tg:0〜12℃、重量平均分子量:450000〜650000)
2−メチルグルタル酸(アルドリッチ、融点約77℃)
樹脂フィラー
有機フィラー(EXL−2655、ロームアンドハースジャパン株式会社、コアシェルタイプ有機微粒子)
無機フィラー
シリカフィラー(SE2050、株式会社アドマテックス、平均粒径0.5μm)
メタクリル表面処理ナノシリカフィラー(YA050C−SM、株式会社アドマテックス、平均粒径約50nm)
3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(OFS6030、東レダウコーニング株式会社)
各種原材料を表1に示す配合割合で混合し、熱硬化性樹脂組成物A及びBを調製した。具体的な作製方法を以下に示す。熱硬化性樹脂、フィラー、及び必要に応じてフラックス剤を、不揮発分(固形分)濃度60質量%になるようにメチルエチルケトンに添加した。その後、この混合液にΦ1.0mm、Φ2.0mmのビーズを固形分と同質量加え、ビーズミル(フリッチュ・ジャパン株式会社、遊星型微粉砕機P−7)で30分間撹拌した。混合液に高分子成分を加え、ビーズミルで30分間攪拌した。攪拌後、硬化剤及び必要に応じて添加剤を加えて攪拌し、混合液をろ過することでビーズを取り除き、ろ液を熱硬化性樹脂組成物A又はBとして得た。
作製した熱硬化性樹脂組成物A又はBを小型精密塗工装置(廉井精機)で塗工し、クリーンオーブン(ESPEC製)で乾燥(70℃/10分)し、接着剤フィルムを得た。
8mm×8mm×0.045mmtのサイズを有する接着剤フィルムを、半導体チップ(10mm、0.4mm厚、接続部金属:Au、製品名:WALTS−TEG IP80、WALTS製)に貼付した。この接着フィルム付き半導体チップを、接着フィルムを介してはんだバンプ付き半導体チップ(チップサイズ:7.3mm×7.3mm×0.15mmt、バンプ高さ:銅ピラー+はんだ高さ計約45μm、バンプ数1048ピン、ピッチ80μm、製品名:WALTS−TEG CC80、WALTS製)に接触させ、これをFCB3(パナソニック製、圧着ヘッド面積:7.3mm×7.3mm)で仮圧着し、積層体を作製した。熱硬化性樹脂組成物Aを用いた積層体は、FCB3の圧着ヘッドの温度を130℃に設定し、50Nの圧力で3秒間加熱加圧することで、仮圧着した。熱硬化性樹脂組成物Bを用いた積層体は、FCB3の圧着ヘッドの温度を130℃に設定し、100Nの圧力で3秒間加熱加圧することで、仮圧着した。仮圧着後の積層体を9個準備し、基体部の積層体を加圧する面の面積が100mm×100mmである一括接続用装置(アルファデザイン製、HTB−MM)のステージ上に積層体を9個設置した。設置後、弾性体層を基体部に有する圧着ヘッドで、積層体を一括で本圧着し、半導体装置を得た。本圧着は、ステージ温度を80℃に設定し、圧着ヘッドの温度を250℃に設定し、900N(積層体1個あたり100N)の圧力で5秒間加熱加圧することで行った。
(250℃における貯蔵弾性率測定方法)
250℃における弾性体層の貯蔵弾性率は、弾性体層を設けるために使用した弾性体シートを幅4mm、長さ40mmに切り出し、弾性率測定装置RSA2(Rheometric Scientific, Inc.)を用いて測定した。切り出した弾性体シートを周波数10Hz、昇温速度5℃/分で−30℃から300℃まで昇温し、250℃における貯蔵弾性率を測定した。
250℃における弾性体層の変位量は、電気機械式万能試験機(INSTRON製、5900シリーズ)、Bluehill3ソフトウエアを用いて測定した。250℃の槽内に弾性体層を設けるために使用した弾性体シートを設置し、直径8mmの円形の端面を有する棒状の押圧用冶具を用いて、弾性体シートの主面と押圧用治具の端面とが平行になる向きで押し当てる圧縮試験を行った。圧縮試験は、0.001mm/秒のスピードで100N(約2MPa)の荷重をかけて行った。圧縮荷重が0Nから100Nになって5秒経過するまで(100Nで安定するまで)の弾性体シートの膜厚の変位量を測定した。
本圧着後にマルチメータ(ADVANTEST製、R6871E)を用いて、半導体装置の初期導通の可否を測定した。ペリフェラル部分の内周の初期接続抵抗値が40Ω以下、外周の初期接続抵抗値が85Ω以下である半導体装置をOK、それよりも高い抵抗値又は未接続の半導体装置をNGとして評価した。9個の半導体装置の中でOK評価となる数が、9個全ての場合に総合評価を○、それ以外を×として評価した。
Claims (5)
- 半導体チップと、基板又は他の半導体チップと、これらの間に介在する接着剤層とを備え、前記半導体チップ、前記基板、及び前記他の半導体チップのそれぞれが金属材料によって形成された表面を有する接続部を有し、前記半導体チップの接続部と前記基板の接続部又は前記他の半導体チップの接続部とが金属接合によって電気的に接続されている、半導体装置を製造する方法であって、
前記半導体チップと、前記基板又は前記他の半導体チップと、これらの間に配置された前記接着剤層とを有し、前記半導体チップの接続部と前記基板又は前記他の半導体チップの接続部とが対向配置されている、積層体を、対向する一対の仮圧着用押圧部材で挟むことによって加熱及び加圧することにより、前記半導体チップの接続部と前記基板又は前記他の半導体チップの接続部とを接触させるとともに前記半導体チップに前記基板又は前記他の半導体チップを仮圧着する工程と、
ステージ上に配置された複数の前記積層体を、前記ステージと該ステージに対向する弾性体層を有する圧着ヘッドとで、前記弾性体層を複数の前記積層体と接触させながら挟むことによって一括して複数の前記積層体を加熱及び加圧することにより、前記半導体チップの接続部と前記基板又は前記他の半導体チップの接続部とを金属接合によって電気的に接続する工程と、をこの順に備え、
前記一対の仮圧着用押圧部材のうち少なくとも一方が、前記積層体を加熱及び加圧する時に、前記半導体チップの接続部の表面を形成している金属材料の融点、及び前記基板又は前記他の半導体チップの接続部の表面を形成している金属材料の融点よりも低い温度に加熱され、
前記ステージ及び前記圧着ヘッドのうち少なくとも一方が、前記半導体チップの接続部の表面を形成している金属材料の融点、又は前記基板若しくは前記他の半導体チップの接続部の表面を形成している金属材料の融点のうち少なくともいずれか一方の融点以上の温度に加熱され、
前記弾性体層が、250℃における10GPa以下の貯蔵弾性率と、250℃における40μm以上の変位量とを有し、
前記変位量が、直径8mmの円形の端面を有する棒状の押圧用治具を、前記弾性体層の主面に、前記主面と前記端面とが平行になる向きで押し当てる圧縮試験において、250℃の環境下で圧縮荷重が100Nであるときの変位量である、方法。 - 前記接着剤層が、10000以下の分子量を有する熱硬化性樹脂、及びその硬化剤を含有する、請求項1に記載の方法。
- 前記接着剤層が、10000以上の重量平均分子量を有する高分子成分を更に含有する、請求項2に記載の方法。
- 前記高分子成分の重量平均分子量が30000以上であり、前記高分子成分のガラス転移温度が100℃以下である、請求項3に記載の方法。
- 前記接着剤層が、予め準備された接着剤フィルムによって形成された層である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
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